DE102020127366A1

DE102020127366A1 - Spannsystem für einen Hohlschaft mit Selbsthemmung

Info

Publication number: DE102020127366A1
Application number: DE102020127366.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Schmieder; Karlheinz Jansen
Original assignee: WTO Vermoegensverwaltung GmbH
Current assignee: WTO Vermoegensverwaltung GmbH
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-04-21
Also published as: JP2023546335A; WO2022079241A1; US20230405689A1; CN116323057A; EP4228837A1

Abstract

Es wird ein Spannsystem für Hohlschaftadapter mit Selbsthemmung vorgeschlagen.

Description

Spannsysteme mit Hohlschaft und einer komplementär geformten Zentrieraufnahme beispielsweise nach ISO 12164 oder ISO 26623 haben sich seit vielen Jahren am Markt bewährt.
Sie kommen unter anderem in angetriebenen oder feststehenden Werkzeughaltern zum Einsatz. Dann sind die Zentrieraufnahme und das Spannsystem in der Spindel des angetriebenen Werkzeughalters beziehungsweise im Gehäuse des Werkzeughalters integriert. Der Hohlschaft ist Teil eines Adapters, der einen Bohrer, einen Drehmeißel oder ein anderes Werkzeug trägt.
Die bekannten Spannsysteme zum Spannen eines solchen Hohlschafts umfassen eine Spannzange, die aus mehreren Spannsegmenten besteht. Die Spannsegmente sind um einen Zugbolzen herum angeordnet. Durch eine axiale Bewegung des Zugbolzens relativ zu den Spannsegmenten werden diese radial nach außen gedrückt. Dadurch ergibt sich zunächst an den vorderen Enden der Spannsegmente ein Formschluss mit dem Hohlschaft. Durch eine weitere Bewegung des Zugbolzens entsteht eine axiale Spannkraft, welche die Spannsegmente auf den Hohlschaft des Adapters ausüben, so dass der Adapter in die Zentrieraufnahme gezogen wird. Ein Beispiel für ein solches Spannsystem ist aus der EP 2 164 662 bekannt.
Dieses Spannsystem ist nicht selbsthemmend. Das hat zur Folge, dass auf das Spannsystem während des Betriebs des Werkzeughalters permanent eine Betätigungskraft einwirken muss, um eine Spannkraft aufrecht zu erhalten. Andernfalls würde sich das Spannsystem lösen.
Das ist vor allem bei einem hydraulischen Spannsystem in einer rotierenden Spindel eines angetriebenen Werkzeughalters sehr schwer zu realisieren. Wenn die Betätigungskraft und daraus die Spannkraft von einer im Werkzeughalter angeordneten Feder aufgebracht wird, bedeutet dies einen erhöhten Bauraumbedarf. Außerdem wird die zum Lösen des Spannsystems benötigte Kraft größer, da die Kraft der Spannfeder zusätzlich überwunden werden muss.
Aus der EP 1 924 379 B1 ist eine Spannvorrichtung bekannt, die eine Selbsthemmung aufweist. Die Selbsthemmung wird über eine Schleppzange mit einen Keilring und eine Spannhülse, die einen Innenkonus aufweist, gelöst. Diese Ausführung ist relativ kompliziert, sie benötigt viel Bauraum und ist teuer in der Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Spannsystem bereitzustellen, das eine Selbsthemmung aufweist und einen sehr kompakten, einfachen und robusten Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Spannvorrichtung für einen Hohlschaft, insbesondere an einem Hohlschaftkegel mit einer kreisrunden oder polygonalen Außenkontur, umfassend ein oder mehrere Spannsegmente und einen mit den Spannsegmenten zusammenwirkenden Zugbolzen, wobei der Zugbolzen durch axiales Verschieben die Spannsegmente zwischen einer Spannstellung, in der die Spannsegmente mit einer Spannrille des Hohlschafts und einem Umbauteil oder einem Gehäuse mindestens mittelbar in Eingriff und axial verspannt sind und einer Offenstellung, in der die Spannsegmente ohne Eingriff in die Spannrille des Hohlschafts sind, verschiebbar ist, wobei für die Verstellung der Spannsegmente zwischen der Offenstellung und der Spannstellung durch axiales Verschieben des Zugbolzens die Spannsegmente durch eine erste Schwenkbewegung an ihrem vorderen Ende und nachfolgend durch eine zweite Schwenkbewegung an ihrem hinteren Ende in dem Umbauteil/der Spindel verstellbar gelagert sind, dadurch gelöst, dass durch eine an die zweite Schwenkbewegung anschließende weitere axiale Bewegung des Zugbolzens eine Selbsthemmung zwischen den Spannsegmenten und dem Zugbolzen hergestellt wird.
Erfindungsgemäß sind also keine zusätzlichen Bauteile des Spannsystems erforderlich. Vielmehr wird durch eine erfindungsgemäße Gestaltung des Zugbolzens und dessen Abstimmung mit den Spannsegmenten die gewünschte Selbsthemmung erzielt. Dadurch baut die erfindungsgemäße Lösung sehr kompakt und die erfindungsgemäße Lösung ist auch fertigungs- und kostentechnisch sehr vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Betätigungskräfte für das Spannen und Lösen relativ klein sind und vom Betrag her keine großen Unterschiede aufweisen. Naturgemäß ist die zum Spannen erforderliche Betätigungskraft etwas größer als die zum Lösen erforderliche Betätigungskraft. Das ist besonders dann ein Vorteil, wenn das Spannsystem automatisch, mit Hilfe eines Aktuators, wie zum Beispiel einem hydraulisch betätigten Zylinderaufbau betrieben wird. Die Abmessungen eines solchen Aktuators richten sich nämlich in aller Regel nach der größten Betätigungskraft.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist jedes Spannsegment an seiner mit dem Zugbolzen zusammenwirkenden Seite eine vordere Nase und eine hintere Nase auf, wobei an dem Zugbolzen beginnend an seinem vorderen Ende nacheinander ein erster zylindrischer Abschnitt, ein erster Konusabschnitt, ein zweiter zylindrischer Abschnitt, ein zweiter Konusabschnitt, ein dritter Konusabschnitt und ein dritter zylindrischer Abschnitt ausgebildet sind, wobei bei der ersten Schwenkbewegung die vordere Nase auf dem ersten Konusabschnitt gleitet, wobei in einer zweiten Schwenkbewegung die hintere Nase auf dem dritten Konusabschnitt gleitet, und wobei in einer an die zweite Schwenkbewegung anschließenden Bewegung des Zugbolzens die hintere Nase auf dem zweiten Konusabschnitt gleitet.
Durch dieses erfindungsgemäß aufeinander abgestimmte Bewegungsmuster kann die formschlüssige Verbindung zwischen der vorderen Spannklaue der Spannsegmente und einer Spannrille des Hohlschafts erreicht werden. Anschließend wird in einer zweiten Schwenkbewegung das hintere Ende der Spannsegmente radial nach außen gedrückt, so dass eine axiale Spannkraft aufgebaut wird. In einer daran anschließenden weiteren Bewegung des Zugbolzens wird die axiale Spannkraft weiter erhöht. Gleichzeitig entsteht zwischen den hinteren Nasen der Spannsegmente und dem zweiten Konusabschnitt des Zugbolzens eine Selbsthemmung.
Selbsthemmung bedeutet, dass nach erfolgtem Spannen des Spannsystems keine Betätigungskraft mehr auf den Zugbolzen ausgeübt werden muss, der Zugbolzen in seiner Position durch die Selbsthemmung verbleibt und die Spannkraft weiterhin ansteht. Anders gesagt: Wenn der Zugbolzen hydraulisch betätigt wird, kann der Zylinderaufbau, der den Zugbolzen betätigt, nach dem Spannen drucklos sein, ohne dass die Spannung des erfindungsgemäßen Spannsystems beziehungsweise des Adapters beeinträchtigt wird.
Das ist ein großer Vorteil, insbesondere wenn das Spannsystem in einer rotierenden Spindel eingebaut ist und die Spindel während der spanenden Bearbeitung rotiert. Dann muss nicht, wie bei anderen Systemen, dauernd eine Betätigungskraft aufgebracht werden, um die Spannkraft zu halten, sondern auf Grund der Selbsthemmung bleibt die Spannkraft im Spannsystem erhalten.
Es ist auch nicht erforderlich, eine Feder zu integrieren, die mit der Spindel rotiert und permanent eine Betätigungskraft aufbringt. Der Nachteil dieser Lösung wäre nämlich, dass eine Unwucht durch die Feder entstehen kann und außerdem muss zum Lösen des Spannsystems, zusätzlich zu den Reibungskräften, auch noch die Kraft der Feder überwunden werden. Das bedeutet hohe Kräfte, die wiederum einen großen Zylinderaufbau erfordern, was ebenfalls nachteilig ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist jedes Spannsegment eine vordere Spannklaue und eine hintere Spannklaue auf, wobei in der Spannstellung die vordere Spannklaue in eine Spannrille des Hohlschafts eingreift und die hintere Spannklaue gegen einen Konus des Umbauteils beziehungsweise der Spindel gepresst wird. Der Konus ist ein Innenkonus und kann entweder direkt in das Gehäuse beziehungsweise die Spindel eingearbeitet sein. Alternativ ist es auch möglich, einen Gewindering vorzusehen, in den der Konus eingearbeitet ist. Dieser Gewindering wird in das Gehäuse bzw. die Spindel eingeschraubt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts kleiner als 5° oder kleiner als der Arkustangens des Reibungskoeffizienten µ der Werkstoffpaarung von Spannsegment und Zugbolzen ist. Dadurch wird auf eine einfache und sehr sichere Weise die Selbsthemmung bewirkt. Selbstverständlich empfiehlt es sich bei der Bestimmung des Reibungskoeffizienten und damit auch des Neigungswinkels des zweiten Konusabschnitts auch Einflüsse von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl oder Kühlschmierstoff, zu berücksichtigen. Bei entsprechender Berücksichtigung auch dieser Umstände kann eine Selbsthemmung unter allen im Betrieb vorkommenden Bedingungen gewährleistet werden.
Es hat sich in vielen Fällen als ausreichend beziehungsweise vorteilhaft erwiesen, wenn der Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts gleich 3° ist.
Die Neigungswinkel des ersten Konusabschnitts und des dritten Konusabschnitts sind demgegenüber sehr viel größer. Sie liegen in einem Bereich zwischen 30° und 60°, bevorzugt ist der Neigungswinkel beider Abschnitte gleich 45°.
Bei dem erfindungsgemäßen Zugbolzen ist vorgesehen, dass der zweite Konusabschnitt und der dritte Konusabschnitt ohne Durchmessersprung und ohne zylindrischen Zwischenabschnitt ineinander übergehen. Dadurch wird der erforderliche Spannweg des Zugbolzens minimiert. Der Übergang zwischen beiden Konusabschnitten erfolgt ohne Unterbrechung.
Die vorderen Nasen der Spannsegmente weisen (beginnend an dem vorderen Ende) eine auf den Neigungswinkel des ersten Konusabschnitts des Zugbolzens abgestimmte erste Kontaktfläche und eine auf den zylindrischen Abschnitt abgestimmte zweite Kontaktfläche auf. Dadurch wird die erste Schwenkbewegung bei dem die vorderen Spannklauen der Spannsegmente in die Spannrille des Hohlschafts einfahren optimal gesteuert.
„Abgestimmt“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kontaktflächen zwischen den Nasen der Spannsegmente und dem Zugbolzen in den verschiedenen Positionen des Zugbolzens relativ zu den Spannsegmenten möglichst groß sind und keine hochbelasteten Kantenträger auftreten, um die Flächenpressung und den Verschleiß zu verringern. Die Neigungswinkel sind daher zumeist gleich.
Es ist aber auch möglich, dass zum Beispiel die Form der Kontaktflächen leicht ballig oder tonnenförmig ist, um Kantenträger, die sich aus den Schwenkbewegungen der Spannsegmente ergeben können, zu verhindern. Ebenso können die zylindrischen Abschnitte des Zugbolzens leicht tonnenförmig ausgeführt sein.
Um die Selbsthemmung des erfindungsgemäßen Spannsystems zu verstärken, kann es vorteilhaft sein, den ersten Zylinderabschnitt als Konus mit einem betragsmäßig kleinen negativen Neigungswinkel α auszuführen. Der Neigungswinkel α kann positiv oder negativ sein. Der Betrag des Neigungswinkels α kann gleich oder kleiner 3° sein. Er ist in jedem Fall kleiner als der Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts am Zugbolzen.
Bei einem negativen Neigungswinkel α ist der Konus am vorderen Ende des Zugbolzens gleich gerichtet wie der Konus im Gewindering; er ist dem zweiten Konusabschnitt und dem dritten Konusabschnitt des Zugbolzens entgegen gerichtet. in der 8 ist ein negativer Neigungswinkel α illustriert.
Selbsthemmung bedeutet, dass der Zugbolzen durch konstruktive Maßnahmen daran gehindert wird, sich aufgrund von Unwuchten, Vibrationen, Druckstößen des Kühlschmierstoffs oder anderen äußeren Kräften, die im Betrieb auf ihn einwirken können, von der Spannstellung in die Offenstellung zu bewegen. Das wäre eine Bewegung in Richtung der Zentrieraufnahme.
Durch den optionalen negativen Neigungswinkel α bewirken Radialkräfte, die von den vorderen Nasen der Spannsegmente auf den ersten Zylinderabschnitt wirken, eine Axialkraft auf den Zugbolzen in Richtung der Spannstellung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weisen die hinteren Nasen der Spannsegmente eine auf die Neigungswinkel des dritten Konusabschnitts abgestimmte dritte Kontaktfläche und eine an ihrem hinteren Ende eine auf den zweiten Konusabschnitt abgestimmte vierte Kontaktfläche auf.
Dies bedeutet, dass zunächst die zweite Schwenkbewegung durch den dritten Konusabschnitt des Zugbolzens gesteuert wird.
Anschließend, nachdem ein Großteil des Radialhubs und eine gewisse (in der Regel noch nicht ausreichende) Spannkraft erreicht wurde, erfolgt eine weitere Verspannung zwischen Zugbolzen und den hinteren Nasen der Spannsegmente sowie zwischen den hinteren Spannklauen der Spannsegmente und dem Konus im Gewindering beziehungsweise dem Spindelgehäuse. Die hinteren Nasen der Spannsegmente gleiten auf dem zweiten Konusabschnitt. Der Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts ist deutlich kleiner als der Neigungswinkel des dritten Konusabschnitts. Dadurch wird die erforderliche Spannkraft erreicht, so dass die Spannsegmente den Adapter mit großer Kraft in die Zentrieraufnahme ziehen.
Wegen des kleinen Neigungswinkels des zweiten Konusabschnitts treten dabei relativ große Radialkräfte auf, die über eine große Kontaktfläche zwischen dem zweiten Konusabschnitt des Zugbolzens und den vierten Kontaktflächen an den hinteren Nasen der Spannsegmente sicher und ohne Überlastung der Bauteile übertragen werden.
Unter anderem dadurch ist die erfindungsgemäße Lösung sehr langlebig, sie verschleißt nicht oder nur wenig und die Flächenpressung zwischen den Nasen und dem zweiten Konusabschnitt des Zugbolzens bleibt innerhalb der zulässigen Werte.
Der Neigungswinkel des Konus in dem Gewindering beziehungsweise dem Gehäuse und die entsprechend darauf abgestimmte fünfte Kontaktfläche an den hinteren Spannklauen der Spannsegmente liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 45°. Ein Winkel von 30° hat sich als sehr gut geeignet erwiesen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung stützen sich die Spannsegmente mit ihrem hinteren Ende gegen eine federbelastete Zwischenscheibe oder direkt gegen eine Druckfeder ab, so dass die Spannsegmente während des Spannvorgangs in axialer Richtung ausweichen können.
Bei einer Fehlspannung, wenn die vorderen Nasen der Spannsegmente auf dem ersten Konusabschnitt gleiten und die vorderen Spannklauen auf Grund einer fehlerhaften Positionierung des Hohlschafts nicht in die Spannrille des Hohlschafts einfahren können, können die Spannsegmente, wenn diese am Hohlschaft anstehen, zusammen mit dem Zugbolzen nach hinten fahren (siehe 9).
Dadurch wird eine Beschädigung des Spannsystems vermieden, wenn, was natürlich nicht erwünscht ist, der Adapter nicht die richtige Position zu Beginn des Spannvorgangs relativ zu der Zentrieraufnahme beziehungsweise zu dem Zugbolzen hat. Daher ist das erfindungsgemäße Spannsystem auch fehlertolerant und eine Fehlfunktion führt nicht zu einem Totalschaden des Spannsystems.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Figurenliste
Es zeigen:

1 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt in verschiedenen Positionen;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Zugbolzens;
8 ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Spannsegments und
9 eine Fehlspannung eines Adapters.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der zu spannende Adapter 1 wird von Hand oder automatisch in eine Zentrieraufnahme 3 eingelegt.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird der Ausdruck „Adapter“ als Oberbegriff für alle Bauteile oder Baugruppen, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spannsystems in einer Zentrieraufnahme 3 gespannt werden können, verwandt. Es kann sich dabei um ein Werkzeug, eine Werkzeugaufnahme (Bohrfutter), eine Vorrichtung bzw. eine Palette zum Spannen von Werkstücken, und anderes mehr handeln.
In der 1 ist das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannsystems mit Selbsthemmung in der Offenstellung der gelösten Stellung dargestellt.
In der 5 ist das gleiche Spannsystems in der Spannstellung mit Selbsthemmung dargestellt.
Die 2 bis 4 zeigen Zwischen-Positionen des Spannsystems anhand derer die Funktionsweise des Spannsystems erläutert wird. Beim Lösen des Spannsystems werden, ausgehend von der in 5 dargestellten Spannstellung mit Selbsthemmung die in den 4 bis 1 dargestellten Positionen, d. h. in umgekehrter Reihenfolge wie beim Spannen, durchlaufen.
In allen Figuren werden für die gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwandt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Bezugszeichen in jeder Figur eingetragen.
In der 1 ist ein zu spannender Adapter 1 dargestellt. Er ist nicht Teil des erfindungsgemäßen Spannsystems, sondern wird von ihm in einer Zentrieraufnahme 3 gespannt.
Bei dem in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zentrieraufnahme 3 ein separates Bauteil, das in die Spindel 37 eingesetzt ist.
Der Adapter 1 umfasst einen Hohlschaft 5, der mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung zusammenwirkt. Dazu hat der Hohlschaft 5 eine Spannrille 7 und eine Stirnseite 9.
Der Hohlschaft 5 taucht in der Regel in eine Zentrieraufnahme 3 ein, da bei Werkzeugmaschinen der Hohlschaft 5 des Adapters 1 und die Zentrieraufnahme 3 axial und radial spielfrei zusammenwirken. Die Anforderungen an den Rundlauf und den Planlauf des Adapters 1 sowie der zwischen Zentrieraufnahme 3 und Hohlschaft 5 übertragbaren Drehmomente werden immer höher. Hohlschaft 5 und Zentrieraufnahme 3 können zum Beispiel nach ISO 12164 oder ISO 26623 ausgeführt sein. Aber auch andere Ausführungen ohne zentrierende Wirkung sind möglich. Eine zentrierende Aufnahme ist zum Beispiel nicht notwendig, wenn in einer Werkstückspannvorrichtung mehrere erfindungsgemäße Spannsysteme eingesetzt werden, um ein Werkstück in der Vorrichtung zu spannen.
In den Figuren wird als Zentrieraufnahme 3 beispielhaft ein „Polygonaler Hohlschaftkegel mit Plananlage“ nach ISO26623 (Capto) verwendet. Die Zentrieraufnahme 3 kann, wie in den Figuren dargestellt ein zusätzliches oder separates Bauteil sein, das durch bzw. in Umbauteilen (Gehäusen, rotierenden Spindeln, ortsfesten Werkstückspannvorrichtungen, etc.) aufgenommen wird.
Die Zentrieraufnahme 3 kann aber auch in eines der „Umbauteile“ integriert sein; dann sind Umbauteil und Zentrieraufnahme einstückig ausgeführt. Ein dementsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der 6 dargestellt. Diese Bauart benötigt weniger radialen Bauraum; daher kommt sie oft bei (rotierenden) bzw. angetriebenen Spindeln zum Einsatz. In der zugehörigen Figurenbeschreibung zu 6 werden auch die konstruktiven Auswirkungen beschrieben.
Nachfolgend wird anhand der 1 bis 5 der Prozess des Spannens in verschiedenen Etappen dargestellt und erläutert.
Zunächst wird in der 7 ein erfindungsgemäßer Zugbolzen 13 dargestellt. An den Zugbolzen 13 schließt bei diesem Ausführungsbeispiel ein Kolben 15, der Teil eines Zylinderaufbaus ist. In dieser Figur sind die erfindungsgemäßen Funktionsflächen gut erkennbar und mit Bezugszeichen versehen.
Es sind dies:

101: ein erster zylindrischer Abschnitt;
103: ein erster Konusabschnitt;
105: ein zweiter zylindrischer Abschnitt;
107: ein zweiter Konusabschnitt;
109: ein dritter Konusabschnitt;
111: ein dritter zylindrischer Abschnitt

Zwischen dem zweiten zylindrischen Abschnitt 105 und dem zweiten Konusabschnitt 107 kann ein Durchmessersprung vorhanden sein.
Ein vorderes Ende VE und ein hinteres Ende HE sind ebenfalls eingezeichnet. „Vorne“ ist der Bereich der Zentrieraufnahme 3 (siehe 1); der dritte zylindrische Abschnitt 111 (siehe 7 und 1) befindet sich in der Terminologie der Figurenbeschreibung am hinteren Ende HE des Zugbolzens 13; er ist „hinten“.
Die in der 7 eingezeichneten Funktionsflächen 101 bis 111 des Zugbolzens 13 wirken zusammen mit entsprechenden Kontaktflächen an der „Innenseite“ der Spannsegmente. Sie sind in der 8 dargestellt und werden wie folgt bezeichnet:

Eine erste Kontaktfläche 121 und eine zweite Kontaktfläche 123 bilden die vordere Nase 27.
Eine dritte Kontaktfläche 129 und eine vierte Kontaktfläche 131 bilden die hinter Nase 29.
Ein (hier zweiteiliger) Übergangsabschnitt 125 ist in diesem Sinne keine Funktionsfläche. Er schafft den für den zweiten Konusabschnitt 107 des Zugbolzens 13 erforderlichen Freiraum.

Auf der Außenseite der Spannsegmente 25 sind eine vordere Klaue 31 und eine hintere Klaue 41 ausgebildet. Die hintere Klaue 41 ist im Wesentlichen als kegelstumpfförmige oder konusförmige fünfte Kontaktfläche 133 ausgebildet und kann auch konkav ausgeformt werden. Die Form der vorderen Klaue 31 ist auf die Form der Rille 7 in dem Hohlschaft 5 abgestimmt. Aus den schon genannten ISO-Normen sind z.B. radien- und fasenförmige Gestaltungen bekannt. Insbesondere sollen ein guter Formschluss und eine möglichst niedrige Flächenpressung zwischen den vorderen Klauen 31 und der Rille 7 erreicht werden, wenn das Spannsystem gespannt ist.
Zurück zur 1: Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Bezugszeichen 101 bis 133 in der 1 bis 5 nicht eingezeichnet. Trotzdem werden diese Bezugszeichen in der Figurenbeschreibung benutzt.
Beim Einlegen des Adapters 1 in die Zentrieraufnahme 3 wird der Hohlschaft 5 in Richtung einer Anschlagscheibe 11 in eine definierte Position bewegt. Die Anschlagscheibe 11 ist an einem Zugbolzen 13 befestigt oder in den Zugbolzen 13 integriert (einteilige Bauweise). In der 6 ist ein Ausführungsbeispiel in einteiliger Bauweise dargestellt.
Die Anschlagscheibe 11 stellt gewissermaßen einen Tiefenanschlag für den Adapter 1 bzw. den Hohlschaft 5 dar und sorgt dafür, dass der Adapter 1 vor Beginn des Spannvorgangs eine in axialer Richtung definierte Position einnimmt. Das geschieht indem der Grund 19 des Hohlschaftes 5 an der Anschlagscheibe 11 zur Anlage kommt. Für das automatische Spannen ist die Relation von Spannrille 7 des Hohlschafts 5 und der vorderen Spannklauen 31 des oder der Spannsegmente 25 wichtig; nur wenn diese Relation stimmt, können die vorderen Spannklauen 31 in die Spannrille 7 des Hohlschafts 5 einfahren. Dazu kann es sinnvoll sein, die Anschlagscheibe auf die definierte Position einzustellen, indem man das Gewinde zur Einstellung nutzt oder die Vorderseite der Anschlagscheibe auf das gewünschte Maß für die Erreichung der Position bearbeitet.
Bei Zentrieraufnahmen mit Hohlschaftkegel und Plananlage ist die definierte Position bei ca. 1,5 bis 0,5 mm, typischerweise bei ca. 1 mm Plananlagenabstand zwischen der Stirnseite der Zentrieraufnahme 3 und der Planfläche 9 des Adapters 1; es kann aber auch ein gewisser Abstand zwischen der Stirnseite der Zentrieraufnahme 3 und der Planfläche 9 des Adapters 1 vorhanden sein. Die Größe des Abstands hängt von der Art des Adapters ab.
Die Anschlagscheibe 11 am Ende des Zugbolzens 13 hat einen großen Außendurchmesser. Ein „Grund“ 19 des Hohlschafts kommt in Anlage zu der Anschlagscheibe 11. Dadurch wird die Planlage des Adapters 1 verbessert und die Gefahr reduziert, dass der Adapter 1 relativ zu der Zentrieraufnahme 3 verkippt.
Der Zugbolzen 13 muss zu diesem Zeitpunkt (d. h. vor Beginn des Spanvorgangs) in seiner axialen Lage genau positioniert werden. Nur dann hat die Anschlagscheibe 11 eine exakte Lage in axialer Richtung und es kann die oben erwähnte definierte Position des Adapters 1 gewährleistet werden. Die axiale Lage des Zugbolzens 13 wird bei diesem Ausführungsbeispiel über dessen Betätigungsmittel festgelegt. Das Betätigungsmittel ist in den Figuren beispielhaft eine Kolben-Zylinder-Kombination (auch als „Zylinderaufbau“ bezeichnet, deren Kolben 15 mit dem Zugbolzen 13 und der Anschlagscheibe 11 verbunden ist.
Wenn der Kolben 15, wie in 1 dargestellt, an seinem vorderen Endanschlag 23 anliegt, dann haben der Zugbolzen 13 und die Anschlagscheibe 11 eine definierte axiale Position.
Der doppeltwirkende Kolben 15, der den Zugbolzen 13 betätigt, ist fluiddicht in einem Zylinder 21 geführt. Je nachdem welcher Zylinderraum 21.1 oder 21.2 mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllt wird, bewegt sich der Kolben 15 in dem Zylinder 21 in die eine oder die andere Richtung. In der in 1 dargestellten axialen Position des Kolbens 15 an einem vorderen Endanschlag 23 hat der Zylinderraum 21.2 sein maximales Volumen; das Volumen des Zylinderraums 21.1 ist minimal.
Das erfindungsgemäße Spannsystem umfasst eine Spannzange, die aus einem oder mehreren Spannsegmenten 25 besteht. Die Spannsegmente 25 sind um den Zugbolzen 13 herum angeordnet in an sich bekannter Weise. Die Spannsegmente 25 können untereinander verbunden sein oder als einzelne Spannsegmente 25 vorliegen.
Am vorderen Ende VE bilden die erste Kontaktfläche 121 und die zweite Kontaktfläche 123 eine vordere Nase 27. Am hinteren Ende HE bilden die dritte Kontaktfläche 129 und die vierte Kontaktfläche 131 eine hintere Nase 29.
Die Nase 27 auf der Innenseite der Spannsegmente 25 ist so ausgebildet, dass sie in der in 1 dargestellten Position des Zugbolzens 13 an dem zweiten zylindrischen Abschnitt 105 (Durchmesser d1) des Zugbolzens 13 aufliegt.
Die Nase 29 auf der Innenseite der Spannsegmente 25 ist so ausgebildet, dass sie in der in 1 dargestellten Position des Zugbolzens 13 an dem dritten zylindrischen Abschnitt 111 (Durchmesser d₂) des Zugbolzens 13 aufliegt.
In den zylindrischen Abschnitten 101, 105 und 111 ist der Zugbolzen 13 zylindrisch; eine leicht kegelige, konkave oder konvexe Ausgestaltung ist aber auch möglich.
Der Außendurchmesser der Spannzange bzw. der Spannsegmente 25 im Bereich der vorderen Spannklauen 31 ist bei diesem Ausführungsbeispiel und in dieser Position des Zugbolzens 13 so klein, dass der Hohlschaft 5 über die vordere Anschlagscheibe 11 und den Hüllkreisdurchmesser der nachfolgenden vorderen Spannklauen 31 geschoben werden kann.
Im hinteren Teil des erfindungsgemäßen Spannsystems ist ein Gewindering 33 in das umgebende Gehäuse/Umbauteil bzw. ein Spindelgehäuse 37 eingedreht. An dem Gewindering 33 ist ein Konus 43 ausgebildet, der zusammen mit der hinteren Spannklaue 41 bzw. der fünften Kontaktfläche 133 des Zugbolzens 13 zusammenwirkt. Wenn die hinteren Nasen 29 des oder der Spannsegmente 25 von der dritten oder vierten Kontaktfläche 129, 131 des Zugbolzens 13 radial nach außen bewegt werden, dann lenkt der Konus 43 diese Bewegung am hinteren Ende HE des oder der Spannsegmente 25 in eine axiale Bewegung der Spannsegmente 25 um. Anders ausgedrückt: Die Spannsegmente 25 bewegen sich in 1 nach rechts, d. h. in Richtung des hinteren Endes HE, wenn der Zugbolzen 13 nach rechts bewegt wird. Durch den Formschluss zwischen den vorderen Klauen 31 und der Spannrille 7 des Hohlschafts 5 wird der Adapter 1 in die Zentrieraufnahme 3 gezogen. Das Spannsystem wird gespannt.
Der Innendurchmesser des Gewinderings 33 bzw. des Konus 43 wird vorteilhafterweise so gewählt, dass auch der Gewindering 33 über den Hüllkreisdurchmesser der vorderen Spannklauen geschoben werden kann. Dies muss zumindest in der in 1 dargestellten Position des Zugbolzens 13 möglich sein. Das vereinfacht Montage und Demontage des Spannsystems in einem Gehäuse oder einer Spindel 37.
Der Hüllkreisdurchmesser der hinteren Spannklaue 41, bzw. der Hüllkreisdurchmesser der fünften Kontaktfläche 133 ist in jeder Stellung größer als der innere Durchmesser des Konus 43.
Ist das nicht möglich, oder kann zum Beispiel aus Platzgründen kein Gewindering 33 eingesetzt werden, wird der Konus 43 direkt in die Umbauteile (z. B. das Spindelgehäuse 37) integriert. Dann kann die Montage der Spannsegmente 25 auch von „hinten“ erfolgen.
Damit die Spannzange bzw. deren Spannsegmente 25 in dieser Position immer den kleinsten Hüllkreisdurchmesser ausbilden, müssen die Spannsegmenteα 25 vorgespannt werden. Dies kann durch eine federelastische Verbindung der Spannsegmente 25 untereinander zu einer einteiligen Spannzange (nicht dargestellt) oder durch eine Spannfeder 39 am hinteren Ende HE der Spannzange bzw. der Spannsegmente 25 oder wie hier dargestellt in etwa mittiger Anordnung zur Längsausdehnung der Spannsegmente 25 erfolgen. Ziel dieser Ausführungsformen ist es, über die Vorspannung, die Spannsegmente 25 zentrisch rund um den Zugbolzen 13 zusammenzudrücken. Vorteilhaft ist es, die Spannfeder 39 dabei in etwa mittig zu der Längsausdehnung der Spannsegmente 25 anzuordnen, damit die Spannsegmente 25 nicht verkippen können und gleichmäßig vorn und hinten an den Nasen 27 und 29 zur Anlage am Zugbolzen 13 kommen.
Eine Druckfeder 45 im hinteren Bereich stützt sich zum einen an einer Stirnseite der Druckfederhülse 49 ab und drückt in dem dargestellten Zustand der Figur gegen eine optionale Zwischenscheibe 47. Die Zwischenscheibe 47 wiederum liegt formschlüssig an einer Schulter des Gewinderings 33 an. Es ist auch möglich, die Zwischenscheibe 47 wegzuzulassen, so dass sich die Druckfeder 45 direkt gegen die Schulter des Gewindering 33 abstützt.
Die Zwischenscheibe 47 bzw. die Druckfeder 45 kann auch an einer Schulter des Umbauteils oder des Spindelgehäuses 37 anliegen. Wegen dieser Anlage kann die Druckfeder 45 die Spannsegmente 25 nicht weiter in Richtung des vorderen Ende VE bewegen als in der 1 dargestellt und kann dennoch vorgespannt sein.
Die Spannsegmente 25 werden, wie bereits beschrieben, durch die Spannfeder 39 nach innen gedrückt und liegen mit der vorderen Nase 27 und der hinteren Nase 29 am Zugbolzen 13 an.
In axialer Richtung wird die Lage der Spannsegmente 25 durch den (Innen-)Konus 43 des Gewinderings 33, der von der Druckfeder 45 vorgespannten Zwischenscheibe 47, bzw. der Druckfeder 45 und dem Zugbolzen 13 bestimmt.
Es kann vorteilhaft sein, um eine leichte Vorspannung in axialer Richtung zu erzeugen und keine freien Schwingungen zu ermöglichen, die Spannsegmente 25 mit zumindest einer der Nasen 27, 29 an dem ersten Konusabschnitt 103 oder dem dritten Konusabschnitt 109 anliegen zu lassen und eine leichte Verspannung gegenüber der vorgespannten Zwischenscheibe 47 zu erreichen.
Besteht die Spannzange aus mehreren voneinander getrennten Spannsegmenten 25 ist es sinnvoll diese so herzustellen, dass der Abstand zwischen den einzelnen Spannsegmenten 25, in der Position, in der sie den kleinsten Durchmesser ausbilden, nahezu null ist. Beim Auseinanderfahren werden die Spannsegmente 25 über die Spannfeder 39 dadurch annähernd gleich über den Umfang verteilt. Dadurch ist gewährleistet, dass keine oder nur sehr kleine Unwuchten beim Spannen des Spannsystems entstehen; eine zusätzliche Separierungseinheit, welche die Spannsegmente 25 gleichmäßig über den Umfang verteilt, wird nicht benötigt. Wird diese dennoch benötigt (z.B. bei mit höchster Drehzahl angetriebenen Werkzeugmaschinenspindeln), kann die Separierung zum Beispiel als Bestandteil der Zwischenscheibe 47 durch zusätzliche Stege oder Nuten mit den entsprechenden Gegenführungen an oder zwischen den Spannsegmenten erzeugt werden.
In der speziellen Ausbildung der 1 bis 5 ist die Druckfeder 45 in einer Druckfederhülse 49 aufgenommen. Die Druckfederhülse 49 ist in einem Absatz 51 einer Stufenbohrung 53 in der Spindel 37 bzw. des Umbauteils aufgenommen.
Der Absatz 51 bildet über die Druckfederhülse 49 den Längsanschlag des Gewinderings 33. Gleichzeitig wird die Druckfederhülse 49 festgehalten.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Längsanschlag über einen polygonförmigen Flansch am Gewindering 33 realisiert. Ziel ist jeweils, dass bei einer hydraulischen Ansteuerung möglichst viel Durchmesser für den Zylinder 21 zur Verfügung steht. Dann nämlich sind die vom Kolben 15 bereitgestellten Betätigungskräfte maximal. Hinter der Druckfederhülse 49 ist der Zylinder 21 angeordnet. Die Druckfederhülse 49 dient auch als vorderer Endanschlag 23 für den Kolben 15. Der Zugbolzen 13 kann auch auf andere Arten und Weisen in axialer Richtung verschoben werden, um das Spannsystems zu Spannen bzw. zu Lösen (z.B. über Exzenter, Keile etc.).
In Verbindung mit dem Zylinderaufbau sind die notwendigen Dichtungen im Kolben 15 und auch in der Druckfederhülse 49, zur Abdichtung der Kolbenstange (= hinterem Ende des Zugbolzens), dargestellt.
Der Kolben 15 ist in dieser Ausführungsform beispielhaft mit dem Zugbolzen 13 einteilig verbunden, bzw. ausgeführt. Je nach Ausführung kann aber auch eine mehrteilige Ausführung sinnvoll sein. Wesentlich ist dann nur, dass Kolben 15 und Zugbolzen 13 in axialer Richtung miteinander verbunden sind.
Aus den 1 bis 7 ist weiterhin erkennbar, dass der Zugbolzen 13 in axialer Richtung durchbohrt ist. Die axiale Bohrung 55 (siehe 7) im Zugbolzen 13 dient zur Durchleitung eines Fluids (Kühlschmierstoff (KSS). Dabei wird das Fluid über eine Verbindungsstelle von den Umbauteilen (Gehäuse, Spindel 37 etc.) über die Betätigungseinheit (Zylinder 21 und Kolben 15) in den Zugbolzen 13 geleitet.
Die Anschlagscheibe 11 am vorderen Ende VE der Zugbolzens 13 hat eine oder mehrere Durchgangsbohrungen. Hier erfolgt die Fluidübergabe an die anschließenden Bauteile (in diesem Beispiel den Adapter 1), die mit Fluid versorgt werden sollen.
Die Ausgestaltung dieser Übergabe kann abgedichtet sein, kanalisiert werden oder wie hier dargestellt ohne Abdichtung und Kanalisierung erfolgen.
Anhand der 2 bis 5 wird nun das Spannen des erfindungsgemäßen Spannsystems mit Selbsthemmung erläutert.
Die 2 zeigt das Spannsystem in einer Position in der der Zugbolzen 13 verglichen mit der in 1 dargestellten Offenstellung etwas nach rechts bewegt wurde. Das lässt sich beispielsweise an den Spalt zwischen dem Endanschlag 23 und dem Kolben 15 festmachen. Der Zugbolzen 13 hat den gleichen Weg zurückgelegt. Die Spannsegmente 25 kommen mit ihren vorderen Nasen 27 in Anlage an dem ersten Konusabschnitt 103 des Zugbolzens 13. D. h. die Spannsegmente 25 werden mit ihren vorderen Enden radial nach außen bewegt. Die Spannsegmente 25 liegen mit hinteren Nasen 29 noch auf dem dritten zylindrischen Abschnitt 111 auf. Die axiale Bewegung des Zugbolzens 13 bewirkt also eine erste Kippbewegung der Spannsegmente 25. Der Drehpunkt der Kippbewegung befindet sich an den hinteren Nasen 29. Dadurch wird der Hüllkreisdurchmesser der vorderen Spannklauen 31 größer.
Der erste Konusabschnitt 103 hat einen Neigung-Winkel von 30° bis 60° und bevorzugt 45°. Die Spannsegmente 25 sind im Bereich der vorderen Nase 27 an der Kontaktstelle zum ersten Konusabschnitt 103 so ausgebildet, dass sie über einen weiten Bereich zumindest eine Zwei-Punkt-Auflage haben und nicht verkippen können. Dabei kann die Ausformung der ersten Kontaktfläche 121 (siehe 8) ein Konus oder auch eine leicht ballige Konuskontur sein, um reine Kantenträger zu verhindern.
Die vorderen Spannklauen 31 der Spannsegmente 25 haben noch keinen Kontakt mit der Spannrille 7 im Hohlschaft 5.
Der Hohlschaft 5 wird durch den Maschinenbediener, bevorzugt aber durch eine Handhabungsvorrichtung (nicht dargestellt), wie z. B. einen Handhabungsroboter, in Anlage an der Anschlagscheibe 11 des Zugbolzens 13 gehalten. Das bedeutet, dass auch der Adapter 1 und mit ihm der Hohlschaft 5 zusammen mit dem Zugbolzen 13 in die Zentrieraufnahme einfährt, bis der Hohlschaft 5 an dem konusförmigen Abschnitt der Zentrieraufnahme 3 zur Anlage kommt. Dann kann er sich zunächst nicht weiter in axialer Richtung bewegen. Durch diese erste axiale Einzugsbewegung verringert sich der Abstand der Planfläche 9 des Adapters 1 zur Anlagefläche der Zentrieraufnahme 3 auf wenige 1/10 mm.
Alternativ ermöglicht die Konstruktion aber auch, dass der Adapter 1 in der in 1 dargestellten Startposition verbleibt. Auch dann ist für den hier beschriebenen ersten Wegabschnitt ausreichend Fangraum zwischen den vorderen Spannklauen 31 und der der Spannrille 7 des Hohlschafts 5 vorhanden. Dadurch können die vorderen Spannklauen 31 der Spannsegmente 25 ungehindert in die Spannrille 7 eintauchen.
Während dieser ersten Teil-Bewegung wird die Zwischenscheibe 47 durch die Druckfeder 45 gegen die Stirnseite des Gewinderings 33 gedrückt und bleibt somit axial ortsfest liegen. Wenn keine Zwischenscheibe 47 vorhanden ist, dann bleibt das vordere Ende der Druckfeder in Anlage an dem Gewindering 33.
In der 3 ist das Spannsystem in einer Position dargestellt in der sich der Zugbolzen 13 gegenüber der in 2 dargestellten Position 2 nochmals etwas weiterbewegt hat.
In dieser Position sind die vorderen Nasen 27 über den ersten Konusabschnitt 103 weiter nach außen gewandert bis sie den ersten zylindrischen Abschnitt 101 des Zugbolzens 13 erreicht haben. Gleichzeitig haben sich die vorderen Spannklauen 31 der Spannsegmente 25 nach außen in die Spannrille 7 bewegt; es wurde dadurch ein Formschluss zwischen den vorderen Spannklauen 31 und der Spannrille 7 hergestellt, der Kräfte in axialer Richtung übertragen kann.
Parallel dazu wandern in dieser Phase des Spannvorgangs auch die hinteren Nasen 29 der Spannsegmente 25 über den dritten Konusabschnitt 109 nach außen, Dadurch wird ein erster „großer“ radialer Hub des hinteren Endes der Spannklauen 25 bewirkt.
Der dritte Konusabschnitt 109 hat bevorzugt einen Neigungswinkel von 45°, er kann in einem Bereich zwischen 30° und 60° liegen. Bevorzugt sind die Neigungswinkel des ersten Konusabschnitts 103 und des dritten Konusabschnitts 109 gleich. Bewährt hat sich ein Winkel von 45°
Die hintere Spannklaue 41, bzw. die fünfte Kontaktfläche 133 der Spannsegmente 25 befindet sich immer in Anlage an dem Konus 43 des Gewinderings 33. Die Konus 43 des Gewinderings 33 hat seinen größten Durchmesser in Richtung des hinteren Endes. Die Konusabschnitte 103, 107 und 109 haben ihre größten Durchmesser in Richtung des vorderen Endes. Anders ausgedrückt: Der Konus 43 des Gewinderings 33 und die Konusabschnitte 103, 107 und 109 sind entgegengesetzt ausgerichtet.
Daher bewirkt die Radialbewegung der hinteren Nasen 29 auf dem dritten Konusabschnitt 109 einen großen ersten Spannhub der Spannsegmente 25, und damit auch des Adapters 1 in axialer Richtung. Das wird über das Zusammenspiel des Innenkonusses 43 des Gewinderings 33 mit der fünften Kontaktfläche 133 der Spannsegmente 25, sowie der hinteren Nasen 29 mit dem dritten Konusabschnitt 109 bewirkt.
Der Neigungswinkel des Konus 43 in dem Gewindering 33 zur Mittelachse beträgt dabei bevorzugt 30°. Neigungswinkel von 20° bis 60° sind möglich; Durch Variation des Neigungswinkels kann die Kraft-Bewegungsumsetzung optimiert werden.
Bei Neigungswinkeln von 30° für den Konus 43 wird die Umsetzung der Durchmesseränderung im Bereich des dritten Konusabschnitts 109 und (in einem späteren Stadium des Spannvorgangs) des zweiten Konusabschnitts 107 des Zugbolzens 13, in eine axiale Verschiebung der Spannsegmente 25 um einen Faktor von etwa 1,7 verstärkt. Ein kleinerer Neigungswinkel erhöht diesen Faktor; allerdings zu Lasten einer abnehmenden Spannkraft und einer erhöhten Flächenpressung zwischen Spannsegment 25 und Zugbolzen 13. Eine Vergrößerung der Neigung führt zu einer Reduktion des Faktors.
Der Abstand zwischen vorderen und hinteren Nasen 27, 29 ist so aufeinander abgestimmt, dass sich am Ende des Weges der hinteren Nase 29 über den dritten Konusabschnitt 109, die vordere Nase 27 auf dem ersten zylindrischen Abschnitt 101 des Zugbolzens 13 befindet. Dadurch sind die vorderen Spannklauen 31 der Spannsegmente 25 in der umlaufenden Spannrille 7 radial verriegelt.
Sollte der Adapter 1 durch den Bediener oder in der Regel durch ein Handhabungssystem (z.B. einen Roboter) in seiner axialen Ausgangslage gehalten worden sein, wird er nun in die Zentrieraufnahme 3 hineingezogen. Das Handhabungssystem wird in diesem Stadium für die Haltung des Adapters nicht mehr benötigt.
Da die Spannsegmente 25 durch die Einzugsbewegung des Zugbolzens 13 und den dadurch ausgelösten Spannhub des Adapters 1 in axialer Richtung nach hinten fahren, wird die Anschlagscheibe 47 gegen die Kraft der vorgespannten Druckfeder 45 nach hinten gedrückt: D. h. die Anschlagscheibe drückt nicht mehr gegen den Gewindering 33, wie dies in der 3 gut sichtbar ist.
In dem in 4 dargestellten nächsten Schritt, dem dritten Wegabschnitt, wird die zur Verspannung zwischen Hohlschaft 5 und Zentrieraufnahme 3 erforderliche (Axial-)Spannkraft erzeugt. Außerdem wird eine Selbsthemmung des Spannsystems erzeugt.
Während der weiteren axialen Bewegung des Zugbolzens 13 nach hinten, bewegen sich die vorderen Nase 27 auf dem ersten zylindrischen Bereich 101 des Zugbolzens 13. Der zweite und der dritte Konusabschnitt 107, 109 des Zugbolzens 13 werden weiter in die Spannsegmente 25 hineingezogen.
Je nach Ausführung der Spannrille 7 kann der erste zylindrische Bereich 101 auch als vierter Konusabschnitt mit einem negativen Neigungswinkel α mit einem Betrag kleiner oder gleich 2° ausgebildet werden, um die Relation zwischen dem Weg des Zugbolzens 13 und dem axialen Spannweg der Spannsegmente 25 noch weiter zu verbessern.
Im Bereich der vorderen Spannklauen 31 findet in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem zylindrischen ersten Zylinderabschnitt zwischen Spannklauen 31 und Spannrille 7 zuerst eine axiale Bewegung bis zur Spannposition und anschließend keine axiale Verschiebung mehr statt. Der vordere Bereich der Spannsegmente 25 (vordere Nase 27, vordere Spannklaue 31) ist jetzt als Gelenk zu betrachten.
Die hinteren Nasen 29 der Spannsegmente 25 werden mit fortschreitender Bewegung des Zugbolzens 13 nicht mehr vom dritten Konusabschnitt 109 nach außen gedrückt, sondern vom zweiten Konusabschnitt 107.
Der zweite Konusabschnitt 107 hat einen viel kleineren Neigungswinkel als der dritte Konusabschnitt 109. Der zweite Konusabschnitt 107 hat idealerweise einen Neigungswinkel von kleiner arctan(p). „µ“ ist der Reibungskoeffizient der Werkstoffpaarung von Spannsegmenten 25 und Zugbolzen 13. In vielen Fällen (und bei normalen Reibungsverhältnissen) ist ein Neigungswinkel von 3° gut geeignet. Durch den Einsatz von DLC-Beschichtungen oder gezielte Schmierung kann oder muss dieser Bereich funktionstechnisch angepasst werden.
Durch die Neigung auf dem zweiten Konusabschnitt werden die hinteren Nasen 29 der Spannsegmente 25 im Durchmesser /radial weiter nach außen bewegt.
Die Keilwirkung zwischen hinterer Spannklaue 41, bzw. der fünften Kontaktfläche 133, und dem Konus 43 des Gewinderings 33 führt erst zu einer axialen Bewegung bis zur Spannposition und anschließend zu einer in axialer Richtung wirkenden Spannkraft in den Spannsegmenten 25, die über die vorderen Spannklauen 31 und die Spannrille 7 aufgenommen und in den Hohlschaft 5 bzw. den Adapter 1 eingeleitet wird. Durch diese hohe Spannkraft kommt es zu der gewünschten axialen Verspannung zwischen Hohlschaft 7 und Zentrieraufnahme 3.
In der 5 ist das erfindungsgemäße Spannsystem in der Spannstellung mit Selbsthemmung dargestellt.
Die Betätigungseinheit (hier der Zylinderaufbau mit dem Kolben 15 und dem Zylinder 21) hat die notwendige Betätigungskraft aufgebaut und kann jetzt kraftfrei werden. Im Falle des Zylinderaufbaus kann der Fluiddruck gesenkt oder drucklos werden.
Die Spannsegmente 25 sind über die vorderen Spannklauen 31 in der Spannrille 7 formschlüssig mit dem Adapter 1 bzw. dessen Hohlschaft 5 verbunden.
Gleichzeitig liegen die vorderen Nasen 27 am ersten zylindrischen Abschnitt 101 des Zugbolzens 13 an. In radialer Richtung ist der vordere Bereich der Spannsegmente 25 somit abgestützt.
Die hinteren Spannklauen 41 der Spannsegmente 25 liege am Innenkonus 43 des Gewinderings 33 an. Gleichzeitig liegen die hinteren Nasen 29 der Spannzangensegmente 25 am zweiten Konusabschnitt 197 des Zugbolzens 13 an.
Dadurch entsteht, wie bereits im Zusammenhang mit der 4 erläutert, eine große axiale Spannkraft in den Spannsegmenten 25. Somit werden die Spannsegmente 25 auf Zug belastet; d. h. der hintere Bereich der Spannsegmente 25 zieht am vorderen Bereich der Spannsegmente 25 und über den Formschluss in der Spannrille 7 damit auch am Adapter 1. Es kommt zu der gewollten axialen Verspannung mit hoher Spannkraft zwischen Hohlschaft 5 und Zentrieraufnahme 3.
Bedingt durch die in diesem Beispiel konische und sogar unrunde Ausführung (ISO 26623, Capto) der Schnittstelle zwischen Adapter und Zentrieraufnahme kommt es zu einer Verspannung der Bauteile in axialer, radialer und rotatorischer Richtung. Bei Systemen mit Plananlagen (z.B. ISO 26623 und ISO 12164) auch zur Vorspannung der selbigen.
Darüber hinaus bewirkt der Neigungswinkel des Konus 43 aber auch große radiale Kräfte auf die hinteren Spannklauen 41, welche diese über die hinteren Nasen 29 auf den zweiten Konusabschnitt 107 des Zugbolzens 13 übertragen.
Weil der Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts 107 erfindungsgemäß sehr klein gewählt wird, bewirken die von den hinteren Nasen 29 auf den zweiten Konusabschnitt 107 des Zugbolzens 13 übertragenen Radialkräfte, dass der Zugbolzen 13 in dieser Position arretiert wird. Ohne eine äußere Kraft kann der Zugbolzen 13 seine Position relativ zu den Spannsegmenten 25 und dem Adapter 1 nicht ändern. Das heißt es findet eine Selbsthemmung des erfindungsgemäßen Spannsystems in der Spannstellung statt.
Das bedeutet, dass der Zylinderaufbau nach erfolgtem Spannvorgang drucklos sein kann; ebenso wird keine Feder benötigt, die dauernd eine Betätigungskraft auf den Zugbolzen 13 in Richtung der Spannstellung ausübt.
Das ist sehr vorteilhaft, weil eine Versorgung des Zylinderaufbaus mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid während die Spindel 37 angetrieben wird und sich dreht, entfallen kann.
Die Versorgung des Zylinderaufbaus mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid während sich die Spindel 37 dreht ist technisch sehr anspruchsvoll und benötigt viel Bauraum.
Aufgrund der selbsthemmenden Ausführung im Bereich des zweiten Konusabschnitts bleibt die initiierte Spannkraft auch erhalten, auch wenn die Betätigungskraft des Zylinderaufbaus auf null abfällt.
Die Spannkraft ist durch die Kraftverstärkung des erfindungsgemäßen Spannsystems 3- bis 4-mal größer als die vom Zylinderaufbau aufgebrachte Betätigungskraft in Zugrichtung.
In der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das funktional dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Ein Unterschied besteht darin, dass die Zentrieraufnahme 3 nicht als separates Bauteil ausgeführt ist, sondern in das Spindelgehäuse 37 integriert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das gesamte Spannsystem so kompakt ausgeführt, dass es durch den inneren Durchmesser der Zentrieraufnahme 3, d. h. von vorne, montiert werden kann. Dies ermöglicht es, die Zentrieraufnahme mit den umgebenden Teilen des Werkzeughalters einteilig auszuführen und auf den zweiteiligen Aufbau zu verzichten.
In der 9 ist eine „Fehlspannung“ eines Adapters 1 und die Möglichkeit des erfindungsgemäßen Spannsystems, in einem solchen Fall nach hinten auszuweichen, um eine Beschädigung des Spannsystems zu verhindern.
In der 9 ist der Adapter 1 nicht weit genug in die Zentrieraufnahme 3 geschoben worden, so dass die vorderen Spannklauen 31 nicht in die Spannrille des Hohlschafts 5 eintauchen können; sie werden vielmehr in ihrer Bewegung radial nach außen durch den Hohlschaft 5 behindert.
Das hat zur Folge, dass die vorderen Nasen 27 nicht auf den ersten Zylinderabschnitt 101 des Zugbolzens 13 gelangen. Bei dem erfindungsgemäßen Spannsystem drücken die Spannsegmente 25 so stark gegen die Zwischenscheibe, dass diese die Druckfeder 45 zusammendrückt. In Folge dessen können die Spannsegmente 25 nach hinten ausweichen und werden nicht beschädigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2164662 [0003]
EP 1924379 B1 [0006]

Claims

Spannvorrichtung für einen Hohlschaft (5), insbesondere einem Hohlschaftkegel mit einer kreisrunden oder polygonalen Außenkontur, umfassend ein oder mehrere Spannsegmente (25), und einen mit den Spannsegmenten (25) zusammenwirkenden Zugbolzen (13), wobei der Zugbolzen (13) durch axiales Verschieben die Spannsegmente (25) zwischen einer Spannstellung, in der die Spannsegmente (25) mit einer Spannrille (7) des Hohlschafts (5) und einem Umbauteil mindestens mittelbar in Eingriff und axial verspannt sind, und einer Offenstellung, in der die Spannsegmente (25) ohne Eingriff in die Spannrille (7) des Hohlschafts (5) sind, wobei für die Verstellung der Spannsegmente (25) zwischen der Offenstellung und der Spannstellung durch axiales Verschieben des Zugbolzens (13) die Spannsegmente (25) durch eine erste Schwenkbewegung an ihrem vorderen Ende (VE) und nachfolgend durch eine zweite Schwenkbewegung an dem hinteren Ende (HE) in einem Umbauteil/einer Spindel (37) verstellbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine an die zweite Schwenkbewegung anschließende weitere axiale Bewegung des Zugbolzens (13) eine Selbsthemmung zwischen den Spannsegmenten (25) und dem Zugbolzen (7) hergestellt wird.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Spannsegment (25) an seiner mit dem Zugbolzen (13) zusammenwirkenden Seite eine vordere Nase (27) und eine hintere Nase (29) umfasst, wobei an dem Zugbolzen (13) beginnend an seinem vorderen Ende (VE) nacheinander ein erster zylindrischer Abschnitt (101), ein erster Konusabschnitt (103), ein zweiter zylindrischer Abschnitt (105), ein zweiter Konusabschnitt (107), ein dritter Konusabschnitt (109) und ein dritter zylindrischer Abschnitt (111) ausgebildet sind, dass bei der ersten Schwenkbewegung die vordere Nase (27) auf dem ersten Konusabschnitt (103) gleitet, dass in einer zweiten Schwenkbewegung die hintere Nase (27) auf dem dritten Konusabschnitt (109) gleitet, und dass in einer an die zweite Schwenkbewegung anschließenden Bewegung des Zugbolzens (13) die hintere Nase (27) auf dem zweiten Konusabschnitt (107) gleitet.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Spannsegment (25) eine vordere Spannklaue (31) und eine hintere Spannklaue (41) aufweist, dass in der Spannstellung die vordere Spannklaue (31) in eine Spannrille (7) des Hohlschafts (5) eingreift und die hintere Spannklaue (41) gegen einen Konus (43) des Umbauteils/der Spindel (37) gepresst wird.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts (107) kleiner als 5° oder kleiner als der Arcustangens (arctan) des Reibungskoeffizienten (µ) der Werkstoffpaarung von Spannsegment (25) und Zugbolzen (7) ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel des zweiten Konusabschnitts (107) gleich 3° ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel des ersten Konusabschnitts (103) und ein Neigungswinkel des dritten Konusabschnitts (109) in einem Bereich zwischen 30° und 60° liegt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel des ersten Konusabschnitts (103) und der Neigungswinkel des dritten Konusabschnitts (109) 45° beträgt.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Konusabschnitt (107) und der dritte Konusabschnitt (109) ohne Durchmessersprung und ohne zylindrischen Zwischenabschnitt ineinander übergehen.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderen Nasen (27) der Spannsegmente (25) beginnend an dem vorderen Ende (VE) eine auf den Neigungswinkel des ersten Konusabschnitts (103) abgestimmte erste Kontaktfläche (121) und eine auf den ersten zylindrischen Abschnitt (101) abgestimmte zweite Kontaktfläche (123) aufweisen.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hinteren Nasen (29) der Spannsegmente (25) eine auf den Neigungswinkel des dritten Konusabschnitts (109) abgestimmte dritte Kontaktfläche (129) und an ihrem hinteren Ende eine auf den zweiten Konusabschnitt (107) abgestimmte vierte Kontaktfläche (131) aufweisen.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den hinteren Enden (HE) der Spannsegmente (25) eine hintere Spannklaue (41) ausgebildet ist, dass die hinteren Spannklauen (41) eine außenliegende fünfte Kontaktfläche (133) aufweisen, und dass die fünfte Kontaktfläche (133) auf den Neigungswinkel des Konus (43) abgestimmt ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel des Konus (43) bzw. der fünften Kontaktfläche (133) der Spannsegmente (25) in einem Bereich von 20° bis 45°, und bevorzugt bei 30° liegt.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spannsegmente (25) mit ihrem hinteren Ende gegen eine federbelastete Zwischenscheibe (47) abstützen, so dass die Spannsegmente (25) in axialer Richtung ausweichen können, wenn sie nicht von dem ersten Konusabschnitt (103) auf den ersten zylindrischen Abschnitt (101) gleiten können.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vorderen Ende des Zugbolzens (13) eine Anschlagscheibe (11) vorhanden ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zylindrische Abschnitt (101) einen betragsmäßig kleinen negativen Neigungswinkel αaufweist.